自動化行業(yè)中的以太網(wǎng)第1部分：工業(yè)以太網(wǎng)解決方案的優(yōu)勢和作用

目前，世界各地的制造工廠都依賴以太網(wǎng)解決方案來滿足工業(yè)應用對實時性能和耐用性的要求。與傳統(tǒng)現(xiàn)場總線相比，以太網(wǎng)能提供更快的速率，能更好地處理大批量數(shù)據(jù)，最終還能通過卓越的能效比和更加高效的設備節(jié)省更多開支。以太網(wǎng)還能單挑重任，作為唯一的組網(wǎng)技術，把車間的自動化系統(tǒng)連接到用于控制車間的企業(yè)IT系統(tǒng)——在提升性能的同時簡化網(wǎng)絡的整體設計。

以太網(wǎng)為何能在制造業(yè)發(fā)揮重大作用，如何發(fā)揮作用?以太網(wǎng)的崛起有多種原因，但有幾個原因是需要注意的：

• 為避免沖突，目前的多數(shù)工業(yè)以太網(wǎng)都采用全雙工工作模式。雖然在半雙工模式下有可能發(fā)生沖突，但是，只要沖突幀之比不超過特定閾值，可能就不會構成問題。全雙工則可以完全避免沖突。1

• 就如其他常見的工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)境(如風電場、石油天然氣冶煉廠)一樣，工廠的環(huán)境和運行條件通常都非常惡劣。運營方需要考慮振動、顆粒物和極端溫度，在自動化和控制系統(tǒng)中部署工業(yè)以太網(wǎng)電纜和連接器即可實現(xiàn)這一目標。

• 工業(yè)以太網(wǎng)在拓撲結構和協(xié)議方面提供了多種選擇。工廠可以打破主導著商用以太網(wǎng)的星形拓撲結構的限制，比如，采用環(huán)形拓撲結構，以實現(xiàn)冗余和快速恢復。另外，EtherNet/IP®、EtherCAT®等協(xié)議可以支持多種應用場景和系統(tǒng)設計。

• 本系列文章以工業(yè)以太網(wǎng)對制造業(yè)的優(yōu)勢為主題，將首先考察以太網(wǎng)成為廠內(nèi)自動化可行選項的原因。在此基礎上，我們將探討以太網(wǎng)和Wi-Fi如何能幫助工廠走向物聯(lián)網(wǎng)，然后再討論如何在整個工廠范圍內(nèi)實現(xiàn)基于EtherNet/IP一類協(xié)議的網(wǎng)絡。

以太網(wǎng)在自動化領域的過去和未來：標準化和性能造就不同

以太網(wǎng)起步于數(shù)十年前，該技術培育出了一個強大的制造商群體，催生了一個快速發(fā)展的產(chǎn)品生態(tài)系統(tǒng)。隨著以太網(wǎng)性能的提升，速度與成熟度的結合使以太網(wǎng)越來越有可能取代為串行接口開發(fā)的協(xié)議。

以用于支持基于以太網(wǎng)的自動化系統(tǒng)的控制器和交換機的發(fā)展為例。如今的芯片都可以通過實時操作系統(tǒng)進行修改，以支持確定性處理，而它們的I/O控制器也采用特殊配置，能支持從EtherNet/IP到Modbus/TCP的任何工業(yè)自動化協(xié)議。2

通過這些產(chǎn)品可以管窺工業(yè)以太網(wǎng)在現(xiàn)代制造工廠里的作用?？梢詢?yōu)化循環(huán)響應時間，同時還能防止不必要的斷開故障。作為一項額外優(yōu)勢，以太網(wǎng)領域的供應商和標準機構為通過自動化解決方案解決各種挑戰(zhàn)提供持續(xù)性的支持。

ARC Advisory Group副總裁Chantal Polsonetti在2013年為《自動化世界》(Automation World)撰寫的一篇文章中解釋道，“以太網(wǎng)和無線網(wǎng)絡的帶寬都超過多數(shù)專用自動化網(wǎng)絡，其持續(xù)發(fā)展在很大程度上取決于現(xiàn)有的標準化組織和巨大的供應商群體。具體地，以太網(wǎng)已經(jīng)展現(xiàn)出強大的能力，它能在正確的時間，可靠地把正確的數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸_的地點，而制造商則廣泛運用無線儀器儀表以解決各種業(yè)務挑戰(zhàn)，如提升流程性能、可靠性和效率，達到政府指令的要求等。”

以太網(wǎng)獨特的性能特點使其也可以作為與物聯(lián)網(wǎng)集成的自動化系統(tǒng)的基礎。物聯(lián)網(wǎng)的前景在很大程度上取決于利用實時數(shù)據(jù)和活動而非歷史信息來支持決策。正如Polsonetti在其文章中指出的那樣，可以通過改進系統(tǒng)層來克服機器設備層次的不足。

在本系列的下一部分，我們將回到曾在這里討論過多次的一個主題——即EtherNet/IP、PROFINET®等工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。不過，我們不會回顧這些協(xié)議的基本特點，而是要探討如何在工廠里實施這些協(xié)議，尤其是在實現(xiàn)全廠自動化和建設可以滿足工程師和IT部門關鍵訴求的融合型網(wǎng)絡方面。